負載鎳、層析硅膠對模擬柴油吸附脫氮的研究

王云芳，蔣 超，張 坤，劉 偉

（1.中國石油大學（華東）化學工程學院，東營257061；2.勝利勘察設計研究院；3.中國石油大連潤滑油廠）

1 前 言

隨著環保法規的日益嚴格，世界范圍內對車用燃料的質量要求越來越嚴格，生產低硫、低芳烴和低烯烴含量的清潔燃料已成為必然趨勢［1］。柴油中的氮化物會嚴重抑制柴油加氫深度［2］。研究表明，原料油經脫氮預處理之后再進行加氫精制可明顯改善柴油產品的質量，尤其是硫含量會明顯降低。當進料中的氮質量分數低于60μg/g時，采用常規的加氫脫硫可以使產物的硫質量分數低于15μg/g［3］。SK公司的Bae Youn－Sang等［4］以硅膠－氧化鋯為吸附劑，取得了良好的實驗效果，可將輕瓦斯油中的氮質量分數從190μg/g降低到20μg/ g以下。Robert［5］以催化裂化催化劑為吸附劑，對合成燃料脫氮，并把吸附工藝與催化裂化工藝聯合起來，對吸附后的催化劑進行再生并循環使用，可連續生產低氮產品。SK公司的Yosuke Sano等［6］以活性炭為吸附劑，在實驗中取得了良好的效果，已實現半工業化應用。本課題以層析硅膠為載體，用等體積浸漬法制備了負載量不同的金屬鎳吸附劑，研究吸附劑對喹啉、吲哚兩種氮化物的等溫吸附過程和吸附機理，同時考察吸附溫度和金屬負載量對吸附效果的影響。

2 實 驗

2.1 試劑與儀器

試劑：層析硅膠，化學純，上海五四化學試劑有限公司生產；硝酸鎳，分析純，上海恒信化學試劑有限公司生產；液體石蠟，化學純，煙臺三和化學試劑有限公司生產；吲哚，分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產；喹啉，化學純，上海金山亭新化工試劑廠生產；模擬柴油，以液體石蠟為溶劑，喹啉或吲哚為溶質配制而成。

儀器：CP－3800GC氣相色譜儀，美國Varian公司生產，配有TSD氮磷檢測器和30m×0.32 mm×0.25μm的HP－5毛細管色譜柱。

2.2 吸附劑的制備

稱取一定量的層析硅膠加入100mL燒杯中，將配制好的Ni（NO3）2溶液逐滴滴入層析硅膠中進行等體積浸漬。浸漬液（硝酸鎳溶液）的濃度分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0mol/L。浸漬完成后用玻棒將硅膠攪拌均勻，再用保鮮膜密封，浸漬24h。然后用玻棒將樣品轉移到干凈的表面皿中，放置于陰暗干燥處，直至樣品完全干燥。將樣品裝入石英加熱管中，在氮氣保護下，400℃恒溫加熱4h。待其冷卻后改通氫氣，于500℃下恒溫反應5h，使樣品中的鎳元素完全還原為金屬鎳。待樣品完全冷卻后將其裝入潔凈的廣口瓶中密封保存、待用。所制得的樣品為金屬負載量（以鎳質量分數計）分別為1.4%，2.6%，3.8%，5.0%，6.2%的吸附劑。

2.3 間歇式吸附實驗

間歇式吸附實驗裝置如圖1所示。用三口燒瓶稱取一定量的模擬柴油，按油劑比（模擬柴油與吸附劑的質量比）為60∶1加入吸附劑至三口燒瓶中。打開油浴鍋的電源，同時開動攪拌。調整油浴鍋的溫度，使瓶內柴油穩定在所需要的溫度。溫度穩定后開始計時，5h后停止攪拌。靜置10min后，用注射器取出上層清液，注入取樣瓶中，進行色譜分析。實驗溫度分別為100，120，140℃；金屬負載量（w）分別為1.4%，2.6%，3.8%，5.0%，6.2%；起始氮化物質量分數分別為250，500，750，1 000μg/g。吸附前后分別測定樣品中的氮含量，根據二者差值計算吸附劑的平衡吸附量，以每100g吸附劑所吸附的氮元素質量計。

圖1 間歇式吸附實驗裝置示意1—鐵架臺；2—攪拌器；3—溫度計；4—三口燒瓶；5—油浴鍋

2.4 氮含量分析

使用Varian CP－3800氣相色譜儀測定樣品中的氮含量，檢測器為TSD氮磷檢測器；該檢測器只對氮、磷元素有檢測信號，而對烴不響應；利用外標法進行氮、磷的定量。色譜條件為：進樣口溫度310℃，檢測室溫度300℃，柱箱溫度300℃，氫氣流量4.5mL/min，空氣流量175mL/min，尾氣流量25mL/min，銣珠電流為2.875mA。

3 結果與討論

3.1 吸附劑對喹啉模擬柴油的吸附效果

3.1.1 金屬負載量對吸附效果的影響 在模擬柴油中喹啉質量分數為1 000μg/g時，在吸附溫度120℃、油劑質量比60∶1的條件下，考察金屬負載量分別為1.4%，2.6%，3.8%，5.0%，6.2%時吸附劑對喹啉的吸附效果（以平衡吸附量表示），結果見圖2。從圖2可以看出，隨著金屬負載量的增加，吸附劑的平衡吸附量逐漸增大，在金屬負載量（w）為5.0%時達到最大值約2.7g/（100g），然后隨著金屬負載量的繼續增大吸附劑的平衡吸附量迅速下降。出現這種情況的原因可能是負載在吸附劑上的金屬為吸附劑表面提供了更多的活性位，隨著金屬負載量的增加，吸附劑表面的活性位也相應的增加，但是當負載量達到一定值之后可能會使吸附劑性質發生變化，如孔道堵塞等，因而使吸附效果變差。

圖2 金屬負載量對喹啉吸附的影響

3.1.2 喹啉的吸附類型分析 在吸附溫度120℃、油劑質量比60∶1、金屬負載量（w）為5.0%條件下，考察模擬柴油中喹啉含量的變化對吸附效果的影響，120℃下的等溫吸附結果見圖3。從圖3可以看出，平衡吸附量隨著模擬柴油中喹啉含量的升高而增大，在質量分數較低（0～500μg/g）時平衡吸附量隨含量增加得較快；當質量分數為500～800μg/g時，平衡吸附率的增加變緩；然后隨著質量分數的繼續增加（800～1 000μg/g），平衡吸附量的變化又加快。根據吸附曲線的形狀可以判定吸附劑對喹啉的吸附明顯具有多分子層吸附的特征［7］，即接近飽和單層吸附后吸附量再顯著增加。發生多層吸附的原因可能是在單層吸附后固體表面的性質發生了改變，因而可進一步進行吸附。

3.2 吸附劑對吲哚模擬柴油的吸附效果

3.2.1 金屬負載量對吸附效果的影響 在模擬柴油中吲哚質量分數約為1 000μg/g時，在吸附溫度120℃、油劑質量比60∶1條件下，考察金屬負載量（w）分別為1.4%，2.6%，3.8%，5.0%，6.2%時吸附劑對吲哚的吸附效果，結果見圖4。從圖4可以看出，隨著金屬負載量增加，平衡吸附量的變化呈向上凸的二次曲線形狀：初期時，即金

圖3 120℃時喹啉的等溫吸附線

屬負載量（w）從1.4%增加到2.6%時，平衡吸附量增加迅速；金屬負載量（w）為2.6%時平衡吸附量達到最大值，為2.3g/（100g）；金屬負載量繼續增加，平衡吸附量先是快速下降繼而下降趨于緩慢。出現這種情況的原因與喹啉模擬柴油類似。而喹啉和吲哚兩種氮化物的吸附曲線形狀不同可能是由兩種氮化物的分子結構和表面基團的差別引起的，喹啉屬于堿性氮，吲哚屬于非堿性氮。

圖4 金屬負載量對吲哚吸附的影響

3.2.2 吲哚的吸附類型分析 在吸附溫度120℃、油劑質量比60∶1、金屬負載量（w）2.6%的條件下，考察模擬柴油中吲哚含量的變化對吸附效果的影響，120℃下的等溫吸附結果見圖5。從圖5可以看出，平衡吸附量隨著吲哚含量的增大而增大，增加幅度比較均勻。這種類型的吸附等溫線比較少見，當吸附劑和吸附質之間的相互作用很弱時才會出現這種情況，說明所用吸附劑與吲哚的相互作用較弱。這種類型的曲線也屬于多分子層吸附，因此吲哚在吸附劑上的吸附也是多分子層吸附。

3.3 吸附劑對喹啉和吲哚吸附效果的比較

圖5 120℃時吲哚的等溫吸附線

圖6 喹啉和吲哚的等溫吸附效果比較

在模擬柴油中氮化物質量分數為1 000μg/g條件下，考察溫度為100，120，140℃時，不同金屬負載量的吸附劑對喹啉和吲哚的吸附效果，結果見圖6。從圖6可以看出，吸附溫度為100℃時，不同金屬負載量的吸附劑對喹啉的吸附效果都好于吲哚；喹啉的平衡吸附量隨金屬負載量的變化不大，低負載量下效果較好；吲哚的平衡吸附量隨金屬負載量的變化較大。吸附溫度為120℃時，除了金屬負載量（w）為2.6%時吸附劑對喹啉和吲哚的吸附效果幾乎相等外，在其它負載量下對喹啉的吸附效果都好于吲哚。吸附溫度為140℃時，各個金屬負載量下吸附劑對吲哚的吸附效果都要好于喹啉；金屬負載量（w）為1.4%時吸附效果最好。總體來說，吸附溫度為100℃和120℃時吸附劑對喹啉的吸附效果要好于吲哚，而在140℃時吸附劑對吲哚的吸附效果則好于喹啉。低溫有利于喹啉的吸附，高溫有利于吲哚的吸附。

4 結 論

（1）在模擬油中氮化物質量分數約為1 000 μg/g、吸附溫度為120℃、油劑質量比60∶1的條件下，當金屬負載量（w）為5.0%時，吸附劑對喹啉的平衡吸附量最大，達到2.7g/（100g）；當金屬負載量（w）為2.6%時，吸附劑對吲哚的平衡吸附量最大，達到2.3g/（100g）。

（2）吸附劑對喹啉和吲哚的吸附都明顯具有多分子層吸附的特征。

（3）吸附溫度較低（100℃和120℃）時，吸附劑對喹啉的吸附效果較好；吸附溫度較高（140℃）時，吸附劑對吲哚的吸附效果較好。

［1］ 錢伯章.生產清潔汽油和柴油催化技術進展［J］.工業催化，2003，11（3）：1－6

［2］ Macaud M，Se’vignon M，Favre－Re’guillon A，et al.Novel methodology toward deep desulfurization of diesel feed based on the selective elimination of nitrogen compounds［J］.Ind Eng Chem Res，2004，43（24）：7843－7849

［3］ Yosuke Sano，Choi Ki－Hyouk，Yozo Korai，et al.Effects of nitrogen and refractory sulfur species removal on the deep HDS of gas oil［J］.Applied Catalysis B：Environmental，2004，53（3）：169－174

［4］ Bae Youn－Sang，Kim Min－Bae，Lee Hyun－Jung，et al.Adsorptive denitrogenation of light gas oil by silica－zirconia cogel［J］.AIChE J，2006，52（2）：510－521

［5］ Robert H S.Denitrogenation of syncrode：US，4090951［P］.1978－05－23

［6］ Yosuke Sano，Choi Ki－Hyouk，Yozo Korai，et al.Adsorptive removal of sulfur and nitrogen species from a straight run gas oil over activated carbons for its deep hydrodesulfurization［J］.Applied Catalysis B：Environmental，2004，49（4）：219－225

［7］ 北川浩，鈴木謙一郎.吸附的基礎與設計［M］.北京：化學工業出版社，1983：24－25